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Roboter lernen von Ameisen

Rechts die natürlichen Vorbilder beim Tunnelbau - links eine "Roboter-Ameise".(Bilder: Rob Felt, Georgia Tech)

Wer kennt das nicht? Man steht sich gegenseitig im Weg herum, bis nichts mehr läuft – in überfüllten und engen Umgebungen ist es schwer, Verkehrsfluss oder Arbeitseffektivität zu gewährleisten. Nun haben sich Forscher Rat bei besonders erfahrenen Experten geholt: bei Ameisen. Beobachtungen, wie die Krabbler beim Bau ihrer Tunnel vorgehen, haben gezeigt, mit welchem Konzept es am besten läuft. Eine Rollenverteilung und Verhaltensweisen wie gezielte Untätigkeit oder Rückzug führen demnach zum optimalen Ergebnis. Diesen Effekt konnten die Wissenschaftler technisch bestätigen: Wenn sich Roboter wie Ameisen verhalten, läuft`s optimal. In dem Ameisen-Konzept steckt somit enormes Potenzial, sagen die Forscher.

Vielen Herausforderungen, mit denen es der Mensch zu tun hat, stellen sich Lebewesen bereits seit Jahrmillionen. Entsprechend ausgereift sind ihre Strategien und sie können somit zum idealen Vorbild für die Technik werden. Mit diesem Ansatz befasst sich ein ganzes Fachgebiet in der Forschung – die Bionik: Wissenschaftler versuchen Konzepte und Patente der Natur in technische Lösungen umzusetzen. Ausgangspunkt ist dabei meist ein konkretes technisches oder konzeptionelles Problem. Im aktuellen Fall ist es der Stau. Neben dem Autoverkehr kann dieser Effekt auftreten, wenn eine Gruppe eine Arbeit auf beengtem Raum erledigen soll – man steht sich gegenseitig im Weg herum. Das gleiche Problem taucht auch auf, wenn es sich statt um Menschen um Gruppen aus Arbeitsrobotern handelt. Optimierte Verhaltenskonzepte für Einheiten aus autonom agierenden Individuen ohne zentrale Steuerung sind somit gefragt.

Ausgefeiltes Natur-Konzept

Ein ideales Vorbild repräsentieren in diesem Zusammenhang die Konzepte der Ameisen: Beim Tunnelgraben sind sie mit der Herausforderung konfrontiert, dass eine Gruppe von Individuen unter beengten Verhältnissen einen optimalen Verkehrs- und Arbeitsfluss beim Abtransport der Sandkörnchen entwickeln soll. Offensichtlich gelingt ihnen das, denn zu Stau kommt es bei den Ameisen nicht und die Arbeitseffizienz der tierischen Bautruppen ist erstaunlich. Wie die Krabbler vorgehen, haben nun die Forscher um Daniel Goldman vom Georgia Institute of Technology in Atlanta an Feuerameisen untersucht. Sie markierten dazu einige Arbeiter durch farbige Punkte und ließen sie unter genauer Beobachtung im Labor Tunnel bauen.

Wie sie berichten, zeichnete sich eine interessante Aufteilung ab: 30 Prozent der Ameisenarbeiter erledigten 70 Prozent der Arbeit. Außerdem stellten sie ein Verhalten von gezielter Untätigkeit beziehungsweise Vermeidung fest. „Wir beobachteten erstaunt, wie Individuen manchmal zum Tunnel gingen und wieder umdrehten, wenn sie nur ein wenig Stau wahrnahmen“, berichtet Goldman. Darin spiegel sich das Prinzip wider: Mehr Arbeitseinsatz bedeutet unter den Rahmenbedingungen beim Tunnelbau nicht mehr Output. Offenbar stellt sich durch die Aufteilung in Intensivarbeiter und abwartende „Kollegen“ ein Optimum ein, das Arbeitsleistung bei gleichzeitiger Stauvermeidung gewährleistet. Computersimulationen des Verhaltens der Ameisen bestätigten ebenfalls, dass es sich bei der beobachteten Strategie um ein optimales System beim Tunnelbau handelt.

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Wenn Roboter nach Ameisenart arbeiten

Im zweiten Teil ihrere Studie führten die Forscher Experimente mit Gruppen von kleinen, autonom agierenden Arbeitsrobotern durch. Ihre Aufgabe war es, Bälle aus dem Weg zu räumen, die den Sandkörnern bei den Ameisen entsprachen. Mit dem Standardprogramm zum Arbeiten zeigte sich: „Die Roboter standen sich schnell im Weg herum“, berichtet Goldman. „Wenn wir den Robotern aber die Regeln der Ameisen einprogrammierten, lief es besser – sie arbeiteten schneller und verbrauchten weniger Energie“. Die Leistungen der Robo-Ameisen waren zwar nicht mit denen ihrer natürlichen Vorbilder zu vergleichen, aber der prinzipiell positive Effekt der Strategie zeichnete sich auch bei dem technischen System ab, sagen die Wissenschaftler.

In ihren Forschungsarbeiten steckt somit Potenzial für technische Anwendungen, sind sie überzeugt. Die Ameisen-Strategien könnten demnach hilfreich sein, um zukünftige technische Systeme zu verbessern, wie etwa Roboterschwärme, die mit der Beseitigung von Katastrophenschutt beauftragt sind. Der Blick geht auch ins All: Die Konzepte könnten bei Missionen zu fremden Himmelskörpern nützlich sein, meinen die Wissenschaftler. „Nach Ameisenart könnte ein Roboterschwarm etwa auf dem Mars schnell und effektiv einen Tunnel graben, um Menschen oder Geräte vor Staubstürmen oder anderen Bedrohungen zu schützen“, veranschaulicht Goldman abschließend.

Quelle: Georgia Institute of Technology, Science, doi: 10.1126/science.aan3891

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